JP2005511221A - 低雑音受信機を有する結合型送信／受信スイッチ、及び受信機の性能を向上する方法 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、電圧パルスを制御して、これにより、受信機の性能を向上する受信回路及び方法が提供される。受信回路は、高電圧を阻止し、電圧信号を電流信号に変換するためのスイッチを含んでいる。本スイッチは、第一の信号端子及び第二の信号端子並びに制御端子を含んでいる。本スイッチは、閉じたときにオン抵抗を示し、このオン抵抗は、制御端子での電気的な値により制御される。また、受信機は、閉じたモードでスイッチのオン抵抗を制御するためにスイッチに接続される制御回路を含んでいる。第一のスイッチ信号端子は、トランスデューサの出力に接続され、第二のスイッチ信号端子は、低電圧増幅回路の入力に接続される。本スイッチは、送信時間のインターバルの間に開き、受信時間のインターバルの間に閉じる送信／受信スイッチである。本スイッチは、低電圧パルスのみを低雑音増幅器に送出し、この低雑音増幅器は、入力抵抗及びフィードバック抵抗を必要とする。本スイッチのオン抵抗は、低雑音増幅器の入力抵抗である。制御回路は、閉じたときに該スイッチの制御端子での電気的な値を発生するためのサーボ−ループ回路である。

Description

本発明は、受信機回路に関する。特に、本発明は、低雑音増幅器（LNA: Low-Noise-Amplifier）をもつ受信機の電子回路を保護する送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチの組み合わせを通して受信機の性能を向上することに関する。

一般に、通信システムは、送信機と受信機の組み合わせを使用して、情報源から目的地に情報を転送する。典型的に、送信機は、電気信号を電磁信号に変換するトランスデューサ及び送信エレメントの両者を含んでいる。次いで、この電磁信号は、伝送媒体を通して受信機に伝播し、この受信機は、別のトランスデューサにより、該電磁信号をエンドユーザの使用向けに所望の形式に変換する。伝送媒体は、銅ケーブル、光ファイバ又は大気をも含めて、任意の様々な適切な装置である場合がある。

本発明は、特に、超音波システムにおいて典型的に存在するような送受切換えされるトランスデューサ用の受信機に関する。超音波システムでは、たとえば、圧電トランスデューサは、受信された音波が電気信号に変換されるように、逆変換を実行する場合もある。本発明は、超音波の発生及び検出の両者のためにトランスデューサが使用されるシステムに関する。図１に示されるような、トランスデューサから放射されるラインに沿ったスキャニングは、以下のように実行される。

第一に、超音波システムにおける送信機は、高電圧パルスをつくる。この高電圧パルスは、短時間の伝送インターバルの間にトランスデューサに印加され、超音波が形成される。超音波は、異なる音響インピーダンスの領域の間にあるインタフェースにより反射される。たとえば、医療画像形成では、肝臓及び周囲の組織は、超音波を反射する。反射された超音波パルスは、トランスデューサによる受信時間のインターバルの間に吸収され、これにより、結果として低電圧パルスが形成される。超音波システムにおける受信機は、受信された低電圧パルスを増幅して処理する。

低電圧増幅器（ＬＮＡ）は、受信機の電子回路であり、この電子回路は、低電圧パルスに加わる電気的な雑音量を最小にしつつ、低電圧パルスを増幅する。このＬＮＡの重要な特徴は、その入力インピーダンスである。このＬＮＡの入力インピーダンスは、トランスデューサに対する負荷を呈する。非常に雑なトランスデューサのモデルは、図２に例示されるような異なる領域の間で動作する変圧器である。たとえば、超音波画像形成システムでは、２つの領域とは、電気領域と音響領域である。受信モードでは、トランスデューサを刺激する音響信号は、電圧源として電気領域でモデル化することができる。トランスデューサによる領域間の電力変換を最小にするため、トランスデューサの音響側の電圧源に関連されるインピーダンスに等しいインピーダンスの負荷をトランスデューサに負わせることが必要である。したがって、ＬＮＡは、この値に等しい入力インピーダンスを理想的に呈する。トランスデューサのインピーダンスの実部は、４０オームから４００オームの範囲にあって小さいため、ＬＮＡは、小さな入力インピーダンスを有している。

図３には、ＬＮＡの回路実現の例が示されている。ＬＮＡは、演算増幅器（オペアンプ）及び２つの抵抗から構成されている場合がある。オペアンプの目的は、２つの抵抗の共通端子で仮想接地を確立することである。第一の抵抗Ｒ_iは、入力電圧を電流に変換し、第二の抵抗Ｒ_fは、この電流を電圧に変換する。したがって、図３に例示されるＬＮＡ回路の入力インピーダンスはＲ_iに等しく、電圧利得は、Ｒ_iに対するＲ_fの比により確立される。本発明は、このタイプのＬＮＡに関し、この場合、入力電圧は、最初に電流に変換される。

かかるＬＮＡは、低電圧信号でのみ使用され、一般に、高電圧に対して耐性のないシリコン集積回路（ＩＣ）のプロセスで実現される。したがって、超音波システムの送信時間のインターバルの間で、トランスデューサに印加される高電圧パルスがＬＮＡを損傷することから防止するため、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチをトランスデューサとＬＮＡの間に位置させることが必要である時間インターバルの間、Ｔ／Ｒスイッチは開き、受信時間のインターバルの間に閉じ、したがって、低電圧パルスのみがＬＮＡに送出される。図４Ａには、典型的なＴ／Ｒスイッチが示されている。この典型的なスイッチは、２つの金属・酸化膜・シリコン（ＭＯＳ）デバイスを含んでいる。ゲート−ソース間の電圧は、Ｖ_GとＶ_Sの間の電位差として定義され、スイッチの抵抗を制御する。このスイッチは、図４Ｂに示されるように、可変抵抗として表される場合がある。ＭＯＳデバイスの閾値電圧以下のゲート−ソース電圧について、Ｔ／Ｒスイッチは、非常に高いインピーダンスを与え、したがって本質的に開いている。しかし、本明細書で開示される本発明は、Ｔ／Ｒスイッチのタイプに限定されるものではない。

Ｔ／Ｒスイッチは理想的ではない、すなわち抵抗を示すため、スイッチが閉じたときに小さな抵抗を示す。この抵抗は、オン抵抗とラベル付けすることができ、Ｒ_ONと示される。例示のため、図５における回路は、オン抵抗と直列の理想スイッチとして表されるＴ／Ｒスイッチ、及びオペアンプベースのＬＮＡを有する回路を示している。Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗は、少なくとも２つの理由のために悪影響を与える場合がある。第一に、オン抵抗は、分圧器の作用のため、ＬＮＡの入力に現れる信号の振幅を低下する。特に、ＬＮＡの入力での信号の振幅は、ＬＮＡの入力インピーダンスとＴ／Ｒスイッチのオン抵抗との合計に対するＬＮＡの入力インピーダンスの比によりスケーリングされるＴ／Ｒスイッチの入力端子での信号振幅である。第二に、オン抵抗は、電気的な雑音を発生し、この雑音は、信号品質を低下する可能性がある。悪影響を及ぼす規模は、オン抵抗に比例する。

したがって、Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗を低減する必要がある。実際に、オン抵抗は、ＬＮＡの入力インピーダンスよりも非常に小さくつくられることが好ましい。しかし、Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗を低減することは、Ｔ／Ｒスイッチ回路のサイズを増加することを必要とする。大規模な回路は、実現するためには高価であり、高周波での動作を制限する大きな望まない容量をも示すため、代替的なアプローチが必要とされている。

したがって、Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗を大きく作製し、これにより、製造コスト及び望まない容量を低減することができる回路が必要とされている。

本発明の目的及び効果は、本発明の実施例により得られる以下の説明から明らかとなるであろう。本発明の更なる効果は、添付図面と同様に、発明の実施の形態及び特許請求の範囲で特に指摘される方法及びシステムにより実現及び達成される。

本発明のこれらの効果及び他の効果を達成するため、実現されて広く説明される本発明によれば、本発明は、高電圧を阻止し、電圧信号を電流信号に変換するためのスイッチを含む受信回路を含んでいる。このスイッチは、第一の信号端子及び第二の信号端子並びに制御端子を含んでいる。このスイッチは、閉じたときにオン抵抗を示し、このオン抵抗は、制御端子で電気的な値により制御される。また、受信機は、閉じたモードで該スイッチのオン抵抗を制御するため、該スイッチに接続される制御回路を含んでいる。第一のスイッチ信号の端子は、トランスデューサの出力に接続され、第二のスイッチ信号端子は、低雑音増幅回路の入力に接続される。このスイッチは、送信時間のインターバルの間に開き、受信時間のインターバルで閉じる送信／受信スイッチである。このスイッチは、低電圧パルスのみを低雑音増幅器に送出し、この低雑音増幅器は、入力抵抗及びフィードバック抵抗を必要とする。制御回路は、スイッチが閉じたときに該スイッチの制御端子で電気的な値を発生するためのサーボ−ループ回路である。

このサーボ−ループ回路は、入力端子及び出力端子を有している電流源を含んでいる。サーボ−ループ回路は、オン抵抗と電気的な値に応答する制御端子とを有するマスタースイッチをさらに含んでいる。マスタースイッチは、電流源の出力に接続され、これにより、電流Ｉ_REFは、マスタースイッチを通して送出され、マスタースイッチの制御端子での電気的な値は、参照電圧Ｖ_REFに一致するためにスイッチが閉じたときに該スイッチ間の電圧を調節可能である。このスイッチは、マスタースイッチの制御端子での電気的な値を利用する。サーボ−ループ回路は、システムのアイドルタイムの間に調節可能な制御端子での電気的な値をもつ１つのスイッチを有している。

また、本発明は、電圧パルスを制御し、これにより受信回路の性能を改善する方法を含んでいる。本方法は、Ｔ／Ｒスイッチ及び制御回路を有する受信回路を提供するステップを含んでいる。このスイッチは、第一の信号端子及び第二の信号端子並びに制御端子を含んでいる。このスイッチは、閉じたときにオン抵抗を示す。このオン抵抗は、制御端子で電気的な値により制御される。本方法は、第一の信号端子で電圧パルスを受信するステップ、トランスデューサに印加される高電圧を阻止するステップ、及び該スイッチを通して低電圧パルスのみを送出するステップをさらに含んでいる。さらに、本方法は、スイッチを使用して低電圧信号を電流信号に変換するステップ、制御回路を使用してスイッチが閉じたときにスイッチのオン抵抗を制御するステップを含んでいる。

上述された一般的な説明及び以下の詳細な説明の両者は、例示的なものであり、本発明の特許請求の範囲の更なる説明を提供することが意図される。

添付図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成するものであり、本発明の方法及びシステムの更なる理解を提供するために例示することが意図される。この説明と共に、図面は、本発明の原理を説明する役割を果たす。

本発明の好適な実施の形態に対する詳細な参照がなされ、この好適な実施の形態の例は、添付図面において示される。本方法及び本発明の対応するステップは、システムの詳細な説明と共に記載される。

本発明によれば、受信回路が提供され、この回路は、開いているときに高電圧を阻止し、閉じているときに電圧信号を電流信号に変換するためのスイッチを有している。図４Ｂには、本発明で使用される好適なスイッチが例示されている。このスイッチは、第一の信号端子４０５及び第二の信号端子４１０、並びに制御端子４００を有している。使用されるスイッチのタイプに依存して、このスイッチはオン抵抗（ON resistance）を示し、このオン抵抗は、閉じているときに制御端子での電気的な値により制御される。この電気的な値は、電圧、電流又は電荷とすることができる。

本発明の好適な実施の形態によれば、受信回路は、低電圧パルスに加えられる電気的な雑音の量を最小にしつつ、第二の端子４１０から受信された低電圧パルスを増幅するためのＬＮＡをさらに含んでいる。たとえば、限定されるものではないが、入力抵抗とフィードバック抵抗をもつ演算増幅器を一般に必要とするＬＮＡを受信回路が含んでいるとき、ＬＮＡの入力抵抗は、演算増幅器の仮想接地により、電圧−電流変換を実現するため、Ｔ／Ｒスイッチ１００の内部のオン抵抗に取って代わる。図６には、この構成が本実施の形態で実現されるように示されている。Ｔ／Ｒスイッチ１００は、トランスデューサから入力電圧Ｖ_in１０５に接続されている。Ｔ／Ｒスイッチは、トランスデューサと（構成要素１１５として示される）ＬＮＡの間に位置される。したがって、入力電圧１０５は、トランスデューサの出力である。Ｔ／Ｒスイッチ１００は、内部抵抗を呈し、この内部抵抗は、抵抗Ｒ_on１１０として概念的に示されており、この抵抗は、電圧を電流に変換する。Ｔ／Ｒスイッチ１００の出力は、ＬＮＡ１１５に含まれる演算増幅器１３５の反転入力端子に接続されている。演算増幅器１３５の非反転入力端子は、電源端子１３０に接続されており、この電源端子１３０は、たとえば、グランドのような動作電位のソースに接続されている。ＬＮＡは、フィードバック抵抗Ｒ_f１２５をさらに含んでおり、このフィードバック抵抗は、抵抗Ｒ_onにより生じた電流を電圧に変換する。ＬＮＡ１１５の出力は、Ｖ_out１２０である。トランスデューサにより見られるように、受信機の入力インピーダンスは、Ｒ_onであり、電圧利得は、Ｒ_onに対するＲ_fの比により設定される。

本発明によれば、図６に示されるように、Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗は、従来技術のシステムで許容されるよりも非常に大きい。結果として、Ｔ／Ｒスイッチ回路により占有されるシリコン領域は、より小さく、これにより、より低い製造コストとなる。さらに、より小さな回路は、より少ない望まれない容量値を呈する。この望まれない容量値を低減することで、より高い周波数での動作が可能となる。

本発明の好適な実施の形態によれば、Ｔ／Ｒスイッチ１００は、図４Ａのそれに類似したＭＯＳデバイスを有している。しかし、正しい動作のため、本スイッチのオン抵抗は、予測可能であることが必要とされる。全ての集積回路の製造プロセスは、そのパラメータへのバリエーションにより制限される。実際に、処理のバリエーションは、５０％だけＭＯＤデバイスの抵抗に影響を及ぼす場合がある。したがって、Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗は、予測可能な入力インピーダンス及び利得を得るために、製造後に正確に制御される必要がある。Ｔ／Ｒスイッチを実現する大部分の回路は、このオン抵抗を調節する電気的な手段を有している。ＭＯＳベースのＴ／Ｒスイッチでは、本発明の追加的な態様では、ゲート−ソース間の電圧は、Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗より小さい。

本発明の別の態様では、受信回路は、閉じたモードでスイッチのオン抵抗を制御するために、該スイッチに接続される制御回路１６０をさらに含んでいる。本発明の好適な実施の形態によれば、制御回路は、図７に例示されるようなサーボ−ループであり、このサーボ−ループは、Ｔ／Ｒスイッチ１００の制御電圧を発生するために構成される。このサーボ−ループ回路１６０は、電流源１５５に接続される演算増幅器１５０を含んでいる。この電流源１５５は、マスターＴ／Ｒスイッチ１４５に接続されている。サーボ−ループ回路の目的は、マスターＴ／Ｒスイッチ１４５のオン抵抗を補正することにある。次いで、補正されたオン抵抗を達成するゲート電圧は、受信回路で使用されるスレーブＴ／Ｒスイッチ１００に分配される。マスターＴ／Ｒスイッチ１４５及びスレーブＴ／Ｒスイッチ１００の寸法は、同じ電圧を共有する場合には、それらのオン抵抗が等しくなるように等しく選択される。

図７に例示される回路は、以下のように動作する。Ｒ_onでラベル付けされたオン抵抗を有するＴ／Ｒスイッチ１００のレプリカを通して、定電流Ｉ_REFが流れる。このレプリカのＴ／Ｒスイッチ１４５は、マスターとして指定される。マスターＴ／Ｒスイッチ１４５の間の電圧が参照電圧Ｖ_REFに一致するように、ゲート電圧Ｖ_Gが調節される。次いで、マスターＴ／Ｒスイッチ１４５の抵抗Ｒ_onがＶ_REFとＩ_REFの比であることが保証される。次いで、オン状態にあるとき、信号経路に位置される同じゲート電圧Ｖ_Gが使用される。このＴ／Ｒスイッチ１００は、ラベル「スレーブ」が与えられる。

スレーブＴ／Ｒスイッチ１００の出力は、構成要素１１５の入力に接続され、この構成要素は、たとえば、図６におけるＬＮＡとして示されている。しかし、様々な代替的な回路は、本発明の効果から利益を得ることができる。たとえば、Ｔ／Ｒスイッチ機能を実現可能な別の回路がダイオードブリッジである場合がある。かかるケースでは、オン抵抗は、このダイオードをバイアスしている電流により制御される。バイアス電流を増加することで、オン抵抗を小さくすることができる。

本発明の方法及びシステムは、先に説明され図面に示されたように、Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗の短所の改善を通して受信機の性能を向上するために、より効果的かつ費用対効果の高いやり方を提供する。

本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに、本発明の方法及びシステムにおいて、様々な変更及びバリエーションを行うことができることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明が特許請求の範囲及びそれらの等価な概念の範囲にある変更及びバリエーションを含んでいることが意図される。

たとえば、図７に例示されるスキームに関して、幾つかのバリエーションが可能である。図７に例示されるサーボ−ループは、電流制御Ｔ／Ｒスイッチを収容することができる。このサーボ−ループは、可変電圧源が可変電流源で置き換えられることを除いて、本質的に同じである。マスターＴ／Ｒスイッチに流れる電流のコピーは、スレーブＴ／Ｒスイッチに分配される。

さらに、サーボ−ループは、受信時間のインターバルの開始での短時間の期間についてのみ動作される。次いで、制御端子での電気的な値は、受信時間のインターバルの間について、スレーブＴ／Ｒスイッチにより記憶される。たとえば、ＭＯＳトランジスタのゲート容量を使用して、ＭＯＳスレーブＴ／Ｒスイッチのゲート電圧を記憶することができる。制御端子での電気的な値が更新されないとき、サーボ−ループは、電力を保存するためにオフにされる。

さらに、シリコン領域を低減して、サーボ−ループに電力供給するために、スレーブＴ／Ｒスイッチよりも小さなマスターＴ／Ｒスイッチが利用される場合がある。次いで、マスターＴ／Ｒスイッチが所望のスレーブＴ／Ｒスイッチのオン抵抗よりも大きなオン抵抗について調整される必要がある。たとえば、マスターＴ／ＲスイッチのサイズがスレーブＴ／Ｒのサイズの４分の１であり、該サイズとオン抵抗の間の関係が逆比例である場合、マスターＴ／Ｒスイッチは、所望のスレーブＴ／Ｒスイッチのオン抵抗を４回調整する必要がある。

最後に、マスター／スレーブ制御の代替として、１つのスイッチを使用することができ、システムのデッドタイムの間に制御電圧を調整することができる。たとえば、超音波画像形成システムでは、トランスデューサが送信及び受信のいずれもしていない時間が存在する。これらの時間では、Ｔ／Ｒスイッチは、サーボ−ループに挿入され、所望のオン抵抗を達成する制御端子での電気的な値が決定されない。通常の動作では、Ｔ／Ｒスイッチが回路に戻され、制御端子での電気的な値は、一定の状態を維持する。

超音波システムにおけるトランスデューサの典型的な適用に関する概念図である。 典型的なトランスデューサに関する概念図である。 従来の低雑音増幅器（ＬＮＡ）に関する回路図である。 従来の送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチに関する回路図である。 従来の送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチに関する回路図である。 従来のＴ／ＲスイッチとＬＮＡとの組み合わせに関する回路図である。 本発明によるＴ／ＲスイッチとＬＮＡとの結合に関する回路図である。 本発明の実施の形態に係るサーボ−ループ回路の回路図である。

Claims (10)

1. 高電圧を阻止すると共に、電圧信号を電流信号に変換し、第一の信号端子及び第二の信号端子並びに制御端子を有し、閉じたときに、該制御端子での電気的な値により制御されるオン抵抗を示すスイッチと、
   閉じたモードで該スイッチのオン抵抗を制御するために、該スイッチに接続される制御回路と、
   を有する受信回路。
2. 低雑音増幅回路を有し、該第一の信号端子はトランスデューサの出力に接続され、該第二の信号端子は、該低雑音増幅回路の入力に接続される、
   請求項１記載の受信回路。
3. 該スイッチは、送信時間のインターバルの間に開き、受信時間のインターバルの間に閉じる送信／受信スイッチであり、該スイッチは、低電圧パルスのみを該低雑音増幅回路に送出する、
   請求項２記載の受信回路。
4. 該低雑音増幅回路は、入力抵抗及びフィードバック抵抗を有し、該スイッチのオン抵抗は、該低雑音増幅回路の入力抵抗である、
   請求項２記載の受信回路。
5. 該制御回路は、閉じたときに該スイッチの制御端子で電気的な値を発生するためのサーボ−ループ回路である、
   請求項１記載の受信回路。
6. 該サーボ−ループ回路は、
   入力端子と出力端子を有する電流源と、
   オン抵抗と電気的な値に応答する制御端子とを有するマスタースイッチとを有し、
   該マスタースイッチは、該電流源の出力端子に接続され、該マスタースイッチを通して電流が送出され、該マスタースイッチの制御端子での電気的な値は、参照電圧に一致するために閉じたときに該スイッチ間の電圧を調節可能であり、
   該スイッチは、該マスタースイッチの制御端子での該電気的な値を利用する、
   請求項５記載の受信回路。
7. 該サーボ−ループ回路は、システムのアイドルタイムの間に調節可能な制御端子での電気的な値をもつ１つのスイッチを有する、
   請求項５記載の受信回路。
8. 高電圧を阻止すると共に、電圧信号を電流信号に変換し、第一の信号端子及び第二の信号端子を有し、閉じたときにオン抵抗を示すＴ／Ｒスイッチと、
   入力抵抗とフィードバック抵抗とを必要とし、電気的な雑音を最小にしつつ低電圧パルスを増幅するための低雑音増幅回路とを有し、
   該入力抵抗は、該Ｔ／Ｒスイッチのオン抵抗である、
   受信回路。
9. 電圧パルスを制御する方法であって、
   第一の信号端子及び第二の信号端子並びに制御端子を有し、閉じたときに、該制御端子での電気的な値により制御されるオン抵抗を示す送信／受信スイッチと、制御回路とを有する受信回路を設けるステップと、
   該第一の信号端子で電圧パルスを受信するステップと、
   トランスデューサに印加される高電圧を阻止して、該スイッチを通して低電圧パルスのみを送出するステップと、
   該スイッチを使用して、該低電圧信号を電流信号に変換するステップと、
   該制御回路を使用して、閉じたときに該スイッチのオン抵抗を制御するステップと、
   を有する方法。
10. トランスデューサ、及び該トランスデューサにより受信される電圧信号を処理するための請求項１乃至８のいずれか記載の受信回路を有する超音波システム。
    

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